CN110319303B - 可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管 - Google Patents

可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，包括水流管道，所述水流管道包括内管和外管，所述内管和外管封闭套装在一起后，所述内管和外管之间形成封闭的气囊层，所述气囊层内套装有多节环柱状的气囊；所述外管外环壁上侧和下侧沿轴向均匀设置有多个径向孔，所述径向孔内都封闭套装有定向阀，所述定向阀包括定向出气阀和定向进气阀；本发明通过在气囊层内的气囊上安装定向出气阀和定向进气阀来实现气囊在水管内水流逐渐增压或减压状态下排气或吸气，减少了水管内水流压力直接作用在外管的次数，使压力水管的使用寿命增长。

Description

可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管。
背景技术
有压管道中流速因外界原因而发生剧烈变化时，所带来的一种水体内部压强交替升降的现象，成为水击。水击发生时，水电站压力管道中压强急剧改变。若关闭阀门，则压力管道中压强急剧升高，反之，开启阀门，则压力管道中压强急剧降低。这种压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，同时又具有较高的频率，对压力管道危害很大。巨大的正压力会使压力管道爆裂、而巨大的负压又会使压力管道吸扁。常见的减小水击压力的措施有设置调压室；缩短管线长度；增大管径，减小流速；改变导叶关闭规律；减小管道流速变化梯度等。理论上有很多措施，实际很难实施或者不经济，没有特别有效可行的措施。如设置调压室可以使水击波尽早地反射回压力管道末端，从而减小水击压力，这是目前工程上最常用的方法，但是调压室造价高，施工复杂，工程量大且不适宜在山区建造。
发明人提出的“ CN105782632A”专利文献记载了一种可削弱水击的复合式压力管及其制作方法，包括压力管道，在压力管道内设置有弹性缓冲层， 弹性缓冲层的内壁上粘合金属保护层或涂抹抗磨损涂层；压力管道、弹性缓 冲层和金属保护层或抗磨损涂层通过螺栓或者铆钉或者加强筋固接，且螺栓或者铆钉或加强筋的端部与金属保护层或抗磨损涂层的内表面齐平。其中所采用的弹性缓冲层为橡胶圈层，所采用的加强筋为钢筋或钢条，钢筋或钢条的两端分别折弯到压力管道的外表面和橡胶圈层的内表面上，折弯后突出部分嵌到金属保护层或抗磨损涂层内。该文献所述技术方案仅在仅能延缓外管受压力变化的时间，防止水压快速冲级外管，即达到减速缓冲的作用，没有减少压力管道中外管受到的压力，即水压最终传递至外管时，外管受到的压力与水压力相同，只有水压波动频率大于缓冲层传力频率时，正负压才能相互抵消一部分而免于瞬时高压或瞬时负压对外管造成冲击，然而大部分时间水压频率低于缓冲层传力频率，所以仍然有较多的峰值压力或吸力传递给外管，对外管造成冲击。
发明内容
针对现有复合式压力管存在的缺陷和问题， 本发明提供了一种水管外壁和内壁之间设置有气囊的压力水管，该压力水管使用方便且通过气囊的放气与吸气来解决水管内水流逐渐增减压对水管外壁造成的磨损或爆裂或吸扁。
本发明为解决其技术问题所采用的方案是：一种可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，包括外管和其内侧的缓冲层及耐磨层，采用环气囊作为缓冲层，环气囊匹配套装于外管内部，环气囊外层和环气囊内层之间为环形的气囊腔，环气囊内层的内侧为内管腔，环气囊的两端或中部设置有单向进气阀和定压出气阀，所述耐磨层位于内管腔的管壁上（即位于环气囊内层的表面），在外管上设置有通孔，所述单向进气阀和定压出气阀从对应通孔中引出，并密封固定在通孔内。
其中，环气囊的两端或中部设置有孔，在各孔内密封安装有气管，各气管穿过外管上对应的通孔后分别固定连接所述单向进气阀或定压出气阀，所述单向进气阀和定压出气阀都为定压单向阀。
进一步地，又在位于外管通孔位置套固有增强环套，增强环套上设置通孔，单向进气阀和定压出气阀从对应增强环套的通孔引出。
其中所述的定压出气阀和单向进气阀依次相互交替密封套装在对应的通孔内。
本发明的有益效果：本发明提供的可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，当单向进气阀和定压出气阀都不过气时，环气囊具有像普通缓冲层一样作用来消除水压频繁波动对外管造成的冲击（压力或吸力）。当单向进气阀或定压出气阀开始进气或排气时，环气囊自身能够消除大量水压频繁波动的冲击力。只有水压波动的峰值和谷值超过单向进气阀和定压出气阀的过气量时，多余的水压波动余力才传递给外管，由外管承受水压波动余力。可见，本发明中外管，会经过单向进气阀和定压出气阀都不过气时的缓冲作用，以及单向进气阀和定压出气阀都过气时的做功，之后才承受水压波动的余力。所以本发明能够更好地改善外管的受力程度，提高外管的使用寿命，防止外管因巨大的正压力造成管道爆裂或因巨大的负压造成压力管道吸扁的情况出现。
本发明的复合压力管的结构简单，通过在气囊层内的气囊上安装定压出气阀和单向进气阀来实现气囊在水管内水流逐渐增压或减压状态下排气或吸气，减少了水管内水流压力直接作用在外管的次数，使压力水管的使用寿命增长。
附图说明
图1是本发明的径剖（B-B剖视图）结构示意图。
图2为本发明的轴抛（A-A剖视图）结构示意图。
图3为本发明水管均衡增压的理想状态示意图。
图4是本发明水压受水压波动变形状态示意图。
图中标号：1为单向进气阀，2为定压出气阀，3为环气囊，4为耐磨层，5为内管腔，6为外管，7为气囊腔，8为气管，9为增强环套，10为密封环。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：一种如图1和图2所示的复合压力管，可明显降低因水压频繁波动的冲击力，从而保护外管避免受到较高压力或负压冲击，提高外管使用寿命。
该复合压力管的具体结构参见图1和图2，自外向内依次包括外管和其内侧的缓冲层及耐磨层。其中，采用环气囊作为缓冲层，环气囊匹配套装于外管内部，从而在环气囊外层和环气囊内层之间为环形的气囊腔，以及在环气囊内层的内侧为内管腔，内管腔作为输水通道，所述耐磨层位于内管腔的管壁上，即位于环气囊内层的表面，耐磨层可以是喷涂的金属耐磨涂层。图中展示的环气囊的构造关系时，为凸显环气囊的结构和作用而放大环气囊的比例，生产制造时需以工程图尺寸为准。
如图2中环气囊，可以为独立的单个环形橡胶气囊，也可以为多个彼此独立的环形橡胶气囊依次首尾对接组合。采用橡胶气囊能够具有适度的弹性，但并不限于橡胶气囊或弹性气囊，也可以采用没有弹性的环形囊结构体。
要求在每个环气囊上至少设置有单向进气阀和定压出气阀，最好同时分布于单向进气阀和定压出气阀的两端或中部，例如定压出气阀和单向进气阀依次相互交替密封套装在对应的通孔内。
在外管上设置有通孔，单向进气阀和定压出气阀从对应通孔中引出，并密封固定在通孔内。具体地，如图1和图2中在环气囊的两端或中部设置有孔，在各孔内密封安装有气管，各气管穿过外管上对应的通孔后分别固定连接所述单向进气阀或定压出气阀。其中所采用的单向进气阀和定压出气阀都为定压单向阀。
由于在外管设置通孔，为不降低外管强度，又在位于外管通孔位置热合套固有增强环套，增强环套上设置通孔，其内套装有密封环10，所述单向进气阀和定压出气阀从对应增强环套的通孔引出并被密封固定。
本实施例中内管腔自然状态和高压水状态如图3所示，自然状态时内管腔的直径为d1，高压水状态时内管腔的直径为d2，显然d1＜d2，即自然状态时内管腔收到水压线为A压力线，受到恒压状态下（正常水压）的水压线B压力线。此时，内管腔的水压力F水=环气囊受压力F环=外管受压力F外，而且此时单向进气阀和定压出气阀都不打开，处于进排气的临界状态。可见单向进气阀和定压出气阀既不进气又不排气的情况下，环气囊并不能减少外管受到的压力，环气囊仅能延缓外管受压力变化的时间，防止水压快速冲级外管，即达到减速缓冲的作用。该特点与公开号CN105782632A的一种可削弱水击的复合式压力管及其制作方法作用相同，CN105782632A的缓冲层并不能减少外管受到的压力，环气囊仅能延缓外管受压力变化的时间，防止水压快速冲级外管，即达到减速缓冲的作用。
然而，高压水管并不总是处于如图3所示的恒压状态，当高压水管中流速因外界原因而发生剧烈变化时，如图4所示能够造成水体内部压强交替升降的现象，成为水击。水击发生时，水电站压力管道中压强急剧改变。若关闭阀门，则压力管道中压强急剧升高，反之，开启阀门，则压力管道中压强急剧降低。这种压强的升高或降低，有时会达到很大的数值，同时又具有较高的频率，对压力管道危害很大，图4中管道压力升高时有C压力线，管道压力降低时有D压力线。巨大的正压力会使压力管道爆裂、而巨大的负压又会使压力管道吸扁。相对于CN105782632A的缓冲层并不能减少外管受到的压力，环气囊仅能延缓外管受压力变化的时间，本实施例提供的环气囊能够在高压水管中流速发生剧烈变化时出现排气和吸气过程，如图4所示，排气和吸气过程中，由于环气囊通过气流散失或增多做功而降低或避免外管收到压力，其管内水压频繁剧烈波动时（相对于B压力线，压力时正时负），位于B压力线上下波动的压力会造成单向进气阀和定压出气阀频繁吸气或排气。
在B压力线基础上分析排气过程有两种情况，第一种情况是水压波动在F0（根据进气速度和排气速度确定）范围内时，定压出气阀排气速度能够使环气囊收缩而不再使外管受到压力，此时水压力F水压=环气囊受压力F环+恒压状态下外管受压FB压，外管受压力F外压=恒压状态下外管受压FB。第二种情况是水压波动大于F0时，外管会受到部分压力，此时水压力F水压=环气囊受压力F环+外管受压力F外压+恒压状态下外管受压力FB压，外管受压力F外压＞恒压状态下外管受压力FB压，即外管受压力F外压=F水压-环气囊受压力F外压+恒压状态下外管受压力FB压。即存在排气过程时，始终存在F外压＜FF水压，即外管受到压力较小。
在B压力线基础上分析进气过程有两种情况，第一种情况是水压波动在F0（根据进气速度和排气速度确定）范围内时，定压出气阀进气速度能够使环气囊膨胀而不再使外管受到吸力（负压力），此时水吸力F水吸=环气囊受吸力F环吸+恒压状态下外管受吸力FB吸，外管受吸力F外吸=恒压状态下外管受吸力FB吸。第二种情况是水吸波动大于F0时，外管会受到部分吸力，此时水吸力F水吸=环气囊受吸力F环吸+外管受吸力F外吸+恒压状态下外管受吸力FB吸，外管受吸力F外吸＞恒压状态下外管受吸力FB吸，即外管受吸力F外吸=F水吸-环气囊受吸力F环吸+恒压状态下外管受吸力FB吸。即存在排气过程时，始终存在F外吸＜F水吸，即外管受到吸力较小。
但CN105782632A的缓冲层并不能减少外管受到的压力，在B压力线基础上分析外管收到压力或吸力时，缓冲层并不能减少外管受到的压力或吸力，环气囊仅能延缓外管受压力或吸力变化的时间。
实施例2：一种可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，如图1和图2所示，该复合压力管包括水流管道，所述水流管道包括内管和外管6，所述内管和外管6封闭套装在一起后，所述内管和外管6之间形成封闭的气囊层3，所述气囊层内套装有多节环柱状的气囊，所述压力水管内压力正常时所述气囊内的气压也处于正常值。
所述外管6外环壁上侧和下侧沿轴向均匀设置有多个径向孔，所述径向孔贯与气囊层贯通，所述径向孔内密封套装有定向阀，所述定向阀包括定压出气阀1和单向进气阀2，所述的定压出气阀1和单向进气阀2都设置有固定承受压力值，所述轴向相邻的两个定向阀的下阀管与一个气囊的外环壁封闭连接，所述下阀管口在气囊内，所述轴向相邻的两个定向阀的上阀管向外侧延伸到外管6外环壁外侧。
所述内管的内管腔5壁上与水流层之间设置有抗击水摩层4。所述外管6外环壁上侧和下侧沿轴向均匀设置的径向孔都分别在同一圆周上，所述在同一圆周上的两个径向孔内都封闭套装有结构相同的定向阀。
所述气囊层内套装的每节环柱状的气囊尺寸一致，气囊的厚度与气囊层的高度一致，气囊的长度等于三个径向孔之间的距离。
如图3所示，当压力水管内正压逐渐上升时，逐渐上升的正压达到压力水管内管腔5承受范围的时候，内管腔5壁会顶压气囊层内气囊，气囊内气压会随着水管内正压逐渐上升而上升，所述气囊内压力上升到定压出气阀1设定值时，定压出气阀1启动开始逐渐向外排出气囊内空气来维持整个压力水管内压力的稳定，在通过定压出气阀1向外排气的过程中，气囊不对外管6内壁施压或对外管6内壁施压很小，从而对外管6起到保护作用。
所述气囊通过定压出气阀1向外界排出内部气压时，气囊的内部气压始终等于压力水管内正常压力加上逐渐增长的正压力。
如图4所示，当压力水管内负压逐渐上升时，逐渐上升的负压达到压力水管内管腔5承受范围的时候，内管腔5内壁会沿径向向内收缩，使气囊层内负压变大，所述气囊层内气囊会随着气囊层内负压逐渐膨胀，当气囊内负压上升达到了单向进气阀2设定值时，所述单向进气阀2开始逐渐向气囊内输送外界空气来维持整个压力水管气囊层的压力使其稳定。
在通过单向进气阀2向气囊内输送外界空气时，气囊的内部气压始终等于压力水管内正常压力加上逐渐增长的负压力，在通过单向进气阀2向气囊内输送外界空气的过程中气囊不对外管6内壁施压或对外管6内壁施压很小，从而对外管6起到保护作用。

Claims (3)

1.一种可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，包括外管和其内侧的缓冲层及耐磨层，其特征在于，采用环气囊作为缓冲层，环气囊匹配套装于外管内部，环气囊外层和环气囊内层之间为环形的气囊腔，环气囊内层的内侧为内管腔，环气囊的两端或中部设置有单向进气阀和定压出气阀，所述耐磨层位于内管腔的管壁上，在外管上设置有通孔，所述单向进气阀和定压出气阀从对应通孔中引出，并密封固定在通孔内，所述定压出气阀和单向进气阀依次相互交替密封套装在对应的通孔内，
当单向进气阀和定压出气阀都不过气时，环气囊具有像普通缓冲层一样作用来消除水压频繁波动对外管造成的压力或吸力冲击；当单向进气阀或定压出气阀开始进气或排气时，环气囊自身能够消除大量水压频繁波动的冲击力，只有水压波动的峰值和谷值超过单向进气阀和定压出气阀的过气量时，多余的水压波动余力才传递给外管，由外管承受水压波动余力，可见，外管会经过单向进气阀和定压出气阀都不过气时的缓冲作用，以及单向进气阀和定压出气阀都过气时的做功，之后才承受水压波动的余力。
2.根据权利要求1所述的可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，其特征在于，环气囊的两端或中部设置有孔，在各孔内密封安装有气管，各气管穿过外管上对应的通孔后分别固定连接所述单向进气阀或定压出气阀，所述单向进气阀和定压出气阀都为定压单向阀。
3.根据权利要求1所述的可降低水压频繁波动冲击力的复合压力管，其特征在于，在位于外管通孔位置套固有增强环套，增强环套上设置通孔，单向进气阀和定压出气阀从对应增强环套的通孔引出。
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